《传感器技术与应用》课件-项目4：电感式传感器

传感器技术与应用5.1变磁阻式电感传感器电感传感器测量滚珠直径，实现按误差分装塞选

用电感传感器实现的自动检测控制装置引入非接触式位移传感器测厚传感器接近式开关电感粗糙度仪各种电感式传感器电感式传感器利用电磁感应定律将被测量（如位移、压力、振动）转换为电感的自感或互感的变化。电感式传感器是一种机电转换装置，特点是体积大，灵敏度高，输出信号大，在自动控制设备中广泛应用。电感式传感器按结构可分为：

自感式电感传感器

互感式电感传感器

电涡流式电感传感器

LX概述传感器结构:铁芯、线圈、衔铁三部分组成。铁芯和衔铁之间有气隙，气隙厚度为δ0;传感器运动部分与衔铁相连，衔铁移动时δ发生变化引起磁路的磁阻

Rm

变化，使电感线圈的电感值L变化。

由于磁路的气隙磁阻远大于铁心磁阻，可近似为气隙磁阻：5.1.1工作原理δ:隙厚度；S0:气隙的截面积；μ0:真空导磁率。线圈电感量可按下式计算：式中：N为线圈匝数；变磁阻式传感器又分为：变气隙厚度型（δ）;变气隙截面积型（S0）;

可见只要改变气隙厚度或气隙截面积就可以改变磁路的气隙磁阻。5.1.1工作原理

衔铁位移Δδ引起的电感变化为

气隙厚度变化时，L与δ为反比关系：

电感初始气隙δ0

处，初始电感量为：特性曲线非线性δ0LδL0L0+ΔLL0-ΔLδ0–Δδ以变气隙厚度型进行讨论5.1.2输出特性（变气隙厚度）

满足Δδ/δ<<1时，忽略高次项（非线性项），有：电感相对变化量与气隙变化成正比关系

定义变磁阻式传感器的灵敏度为：

经过泰勒级数展开和线性处理即，衔铁的气隙变化引起的电感相对变化量5.1.2输出特性传感器测量范围Δδ与灵敏度k0相矛盾；与线性度Δδ/δ0

相矛盾；Δδ/δ0

越小高次项迅速减小，非线性误差越小，但传感器量程变小；变间隙式电感传感器用于小位移比较精确，一般取Δδ/δ0=0.1～0.2，（1～2mm/10mm）；为减小非线性误差实际测量中多采用差动形式。

讨论：5.1.2输出特性差动变隙式由两个相同的线圈L1、L2

构成磁路。当被测量通过导杆使衔铁（左右）位移时，两个回路中磁阻发生大小相等、方向相反的变化，形成差动形式。当衔铁移动时，两个电感一个增加另一个减小变化经过泰勒级数展开及线性化处理得到：气隙相对变化引起的电感的相对变化为：

差动形式的电感输出灵敏度为单线圈的两倍差动式原理5.1.2输出特性

比较单线圈，差动式的灵敏度提高了一倍；差动式非线性项与单线圈相比，多乘了(Δδ/δ)因子；不存在偶次项使Δδ/δ0

进一步减小，线性度得到改善。差动式的两个电感结构可抵消部分温度、噪声干扰。结论：传感器线圈结构差动形式与单线圈比较5.1.2输出特性差动变隙式电感传感器压力测量原理被测压力经过位移、电压两次转换输出5.1.3变磁阻式传感器的应用总结与思考总结电感式传感器的分类；变磁阻式电感传感器的工作原理；变磁阻式电感传感器的输出特性和简单的应用。思考调研几种其它的变磁阻式传感器的应用场景。传感器技术与应用5.2差动变压器式电感传感器结构塑料骨架上绕制线圈,中间初级，两边次级,铁芯在骨架中间可上下移动;这种传感器根据变压器的基本原理制成，并将次级线圈绕组用差动形式连接。把被测的非电量变化转换成为线圈互感量的变化的传感器称为互感式传感器。5.2.1工作原理次级次级骨架初级衔铁次级次级初级差动变压器结构示意图5.2.1工作原理结构差动变压器的结构形式较多,应用最多的是螺线管式差动变压器(介绍三节式),可测量1—100mm范围内机械位移。把被测的非电量变化转换成为线圈互感量的变化的传感器称为互感式传感器。次级次级骨架初级衔铁次级次级初级差动变压器结构示意图如果线圈完全对称，并且铁芯处于中间位置时两线圈互感系数相等：

差动输出电压为零：

并且有两线圈电动势相等：次级线圈同名端反向连接

等效电路初级线圈L1，次级线圈L2a、L2b须反相连接，保证差动形式。5.2.1工作原理

当铁芯上下移动时，输出电压大小、极性随铁芯位移变化

若铁芯上移输出电压与输入同相位

若铁芯下移输出电压与输入反相根据电磁感应定律，次级感应电动势与互感关系，可以推出Uo的表达式差动变压器输出电压与互感的差值成正比。差动变压器的输出电压大小和符号反映了铁心位移的大小和方向。5.2.1工作原理差动变压器输出电压和位移的关系1.差动变压器输出电压幅值取决于互感△M，即铁芯在线圈中移动的距离X，U0与Ui的相位决定铁芯的移动方向；2.输出电压的正、负（反相）结果，经相敏检波后输出曲线反行程翻转为过零直线；3.输出电压U0与激励电压Ui有关，应尽可能大；U0与激励频率成正比，中频在400～1000Hz；

讨论理论上讲，铁芯处于中间位置时输出电压应为零，而实际输出U0≠0，在零点上总有一个最小的输出电压，这个铁芯处于中间位置时最小不为零的电压称为零点残余电压。5.2.3零点残余电压产生零点残余电压的原因是：由于两个次级线圈绕组电气参数（M互感；L电感；R内阻）不同，几何尺寸工艺上很难保证完全相同。电源中高次谐波，线圈寄生电容的存在等，使实际的特性曲线总有最小输出。为减小零点残余电压的影响，一般要用电路进行补偿,电路补偿的方法较多,可采用以下方法。串联电阻并联电阻5.2.3零点残余电压串联电阻：消除两次级绕组基波分量幅值上的差异；并联电阻电容：消除基波分量相差，减小谐波分量；加反馈支路：初、次级间反馈，减小谐波分量；相敏检波电路对零点残余误差有很好的抑制作用。这些电路可单个使用也可综合使用，需要通过实验证实效果。这些电路可单个使用也可综合使用，需要通过实验证实效果差动变压器输出交流信号,为正确反映位移大小和方向，常采用差动整流电路和相敏检波电路。差动整流电路输入一交流信号时，无论极性如何，整流电路的输出电压始终为U0=UAO-UBO（1）差动整流电路5.2.4测量电路上绕组输出始终为U24

下绕组输出始终为U68R0为调零电阻整流电路的输出电压大小极性与铁心位置有关：（1）差动整流电路铁心T在中间位置时，U24=U68

，U0=0;铁心T上移，U24

＞U68

，U0

＞0；铁心T下移，U24

＜U68

，U0

＜0。5.2.4测量电路输出正负电压的结果由相敏检波后反行程旋转由①→②，工作曲线为过零点的直线。相敏检波前后输出特性（2）集成相敏检波电路5.2.4测量电路差动变压器式传感器可直接用于位移测量，也可以测量与位移有关的任何机械量，如振动，加速度，应变等等。压差计

当压差变化时，腔内膜片位移使差动变压器次级电压

发生变化，输出与位移成正比，与压差成正比。液位测量

沉筒式液位计将水位变化转换成位移变化，再转换为

电感的变化，差动变压器的输出反映液位高低。5.2.5差动变压器式传感器应用总结与思考总结差动变压器式传感器的工作原理、等效电路、零点残余电压的解决方案、测量电路及相关应用。思考复习差动变压器式传感器的工作原理；结合实际，调研差动变压器式传感器的几种其它的应用场景；传感器技术与应用5.3电涡流式传感器电涡流传感器是一种非接触式的线性化计量工具，在大型旋转机械状态的在线监测与故障诊断中得到广泛应用。

测振动

测轴心轨迹

测厚

测转速电涡流传感器电涡流传感器能准确测量被测体（必须是金属导体）与探头端面之间静态和动态的相对位移变化。电涡流式传感器最大的特点：能够对位移、厚度、表面温度、速度、应力、材料损伤等被测量进行非接触式测量。电涡流传感器目前主要应用于位移、振动、转速、厚度等机械量测量，另外可测材料、测温度和电涡流探伤。由法拉第电磁感应原理可知,一个块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作用切割磁力线运动时，导体内部会产生一圈圈闭和的电流，这种电流叫电涡流，这种现象叫做电涡流效应,根据电涡流效应制作的传感器称电涡流传感器。形成电涡流必须具备的两个条件：①存在交变磁场②金属导体处于交变磁场中H2I2金属导体UAC5.3.1电涡流效应把一个扁平线圈置于金属导体附近，当线圈中通以交变电流I1时，线圈周围空间产生交变磁场H1；涡流线圈结构非常简单，但要定量分析是很困难的，可根据实际情况建立一个模型，求出模型的等效电路参数。5.3.2等效电路分析当金属导体靠近交变磁场中时，导体内部就会产生涡流I2，按照楞次定律，这个涡流总是企图抵消原磁场的变化，产生反抗H1的交变磁场H2。

凡是引起次级线圈回路变化的物理量R2

、L2

、M均可以引起传感器原线圈等效电阻R1

、电感L1

的变化。

讨论：显然，被测体的电阻率ρ、导磁率μ、线圈与被测体间的距离X，激励线圈的角频率ω，都通过涡流效应和磁效应与线圈阻抗Z发生关系。ML2R2R1

L1

5.3.2等效电路分析结论：涡流线圈的等效阻抗与被测金属中各种参数有函数关系。金属材料的μ、ρ、d、x的变化都可以使初级线圈中的R1、L1发生变化。

若控制某些参数不变，只改变其中一个参数，可使初级阻抗Z1成为这个参数的单值函数。利用金属中的磁导率μ、电阻率ρ

测材料，探伤；利用线圈与金属导体的距离x测位移、测厚。5.3.2等效电路分析因为金属存在趋肤效应，电涡流只存在于金属导体的表面薄层内,存在一个涡流区，涡流区内各处的涡流密度不同,存在径向分布和轴向分布。金属扁平线圈涡流区r/ros1hrosj径向分布

涡流范围与电涡流线圈的外径有一固定比例关系，

涡流密度最大值在线圈外径附近一个狭窄区域内1.涡流的分布轴向分布

由于趋肤效应涡流只在表面薄层存在，沿磁场方向（轴向）也是分布不均匀的。距

离金属表面Z处,涡流按指数规律衰减。5.3.3涡流的分布和强度2.强度x/rosI2/I11.01234要增加测量范围需加大线圈直径，传感器体积增大,这是电涡流传感器应用的局限性。5.3.3涡流的分布和强度

当线圈与被测体距离改变时，电涡流密度发生变化，强度也要变化。根据线圈——导体系统，金属表面电涡流强度I2与距离x是非线性关系，随x/ros上升而下降。1.调幅式L为电涡流线圈2.调频式电涡流线圈5.3.4测量电路

3.变频调幅式电感式接近开关电路原理-----涡流变换器5.3.4测量电路传感器远离被测体时，回路谐振于f0，此时品质因数Q最高，输出最大；当有磁性导体靠近时，振荡回路失谐L↑

f0↓使Q

↓

,输出电压下降峰值左移；当有非磁性导体靠近时L↓f0

↑，由于R↑

Q↓，电压也下降峰值右移；检测中我们不关心频率的变化，只关心幅值的大小，用检波器获得电压。

变频调幅式电路输出特性5.3.4测量电路

检测原理：电涡流传感器以其长期工作可靠性好、测量范围宽、灵敏度高、分辨率高、响应速度快、抗干扰力强、不受油污等介质的影响